大型樁定位抓斗挖泥船作業(yè)過(guò)程載荷分析

萬(wàn)　浩， 陳新權(quán)， 楊　啟， 馮永軍， 丁金鴻, 戴一平

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.勞氏船級(jí)社(中國(guó))有限公司舟山分公司， 浙江 舟山 316021)

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大型樁定位抓斗挖泥船作業(yè)過(guò)程載荷分析

萬(wàn)浩1， 陳新權(quán)1， 楊啟1， 馮永軍1， 丁金鴻1, 戴一平2

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.勞氏船級(jí)社(中國(guó))有限公司舟山分公司， 浙江 舟山 316021)

摘要：該文針對(duì)樁定位抓斗挖泥船作業(yè)過(guò)程中的水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，建立了帶駁船抓斗挖泥船的水動(dòng)力模型，計(jì)算了不同作業(yè)狀態(tài)下的船體載荷和三定位樁的受力，并分析了三定位樁受力隨抓斗運(yùn)動(dòng)和不同環(huán)境載荷變化的趨勢(shì)，為定位樁設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：抓斗挖泥船；定位樁；載荷分析；水動(dòng)力

0引言

抓斗挖泥船是一種應(yīng)用較為廣泛的挖泥船，主要用于港池、碼頭、堤案等處的挖泥作業(yè)。大型抓斗挖泥船采用定位樁進(jìn)行船舶定位，挖泥船在作業(yè)過(guò)程中受到環(huán)境載荷及作業(yè)載荷的作用，并最終轉(zhuǎn)移到定位樁上[1]。在作業(yè)過(guò)程中，大型抓斗的挖泥與旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的載荷會(huì)對(duì)船舶產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而影響到定位樁上載荷的分配，是定位樁設(shè)計(jì)與安全作業(yè)的重要因素。

從現(xiàn)有的資料來(lái)看，有少數(shù)學(xué)者[2-4]針對(duì)其他類型的挖泥船的定位樁受力特點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算，但目前尚未有針對(duì)大型抓斗挖泥船受力特點(diǎn)的定位樁受力計(jì)算模型。

該文針對(duì)一200 m3大型抓斗挖泥船，建立了水動(dòng)力模型，考慮抓斗挖泥和旋轉(zhuǎn)作業(yè)的工況，計(jì)算了不同環(huán)境載荷入射角、波浪周期和波高下的船體載荷，對(duì)三定位樁的受力進(jìn)行了研究，總結(jié)了定位樁受力隨不同參數(shù)的變化規(guī)律，為船舶的安全作業(yè)和定位樁設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1計(jì)算模型

該船配有三根定位樁，其中尾樁一根，首樁兩根，作業(yè)水深30 m。以重心在水面上的投影為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸以向船艏為正方向，Y軸以向左舷為正方向，Z軸以向上為正方向。船舶主尺度見表1，總布置圖和水動(dòng)力模型分別如圖1、圖2所示。

表1　船舶主尺度

圖1　200 m3抓斗挖泥船總布置圖

圖2　200 m3抓斗挖泥船作業(yè)狀態(tài)水動(dòng)力模型

2船舶所受外載荷計(jì)算

2.1波浪載荷

該文中波浪載荷的計(jì)算基于三維勢(shì)流理論，三維勢(shì)流理論假設(shè)流體為理想流體，速度勢(shì)存在且滿足四類邊界條件(自由面條件、海底條件、濕表面條件和無(wú)窮遠(yuǎn)邊界條件)和拉普拉斯方程。同時(shí)假設(shè)波浪船體運(yùn)動(dòng)均為微幅，則速度勢(shì)可用疊加原理分解為入射勢(shì)、輻射勢(shì)和繞射勢(shì)。通過(guò)物體濕表面分布源匯的格林函數(shù)法得到物面輻射速度勢(shì)和繞射速度勢(shì)的積分方程。

求得速度勢(shì)后，按Bernoulli公式計(jì)算物體濕表面上的壓力，將壓力沿濕表面進(jìn)行積分得到船體所受流體作用力，從而求解船體運(yùn)動(dòng)方程。

船體的運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

圖3　200 m3抓斗挖泥船縱向波浪力時(shí)歷曲線　　　　　　　　　圖4　200 m3抓斗挖泥船橫向波浪力時(shí)歷曲線

2.2風(fēng)、流載荷

風(fēng)載荷和流載荷根據(jù)石油公司國(guó)際海事論壇(OCIMF)提出的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算[5]，載荷系數(shù)也根據(jù)該文件查得。具體計(jì)算公式見式(2)、式(3)。

(2)

式中：FXW、FYW分別為X、Y方向風(fēng)載荷；MXYW為風(fēng)載荷轉(zhuǎn)矩；CXW、CYW和CXYW為相應(yīng)系數(shù)；ρW為空氣密度；LBP為船舶垂線間長(zhǎng)；AT、AL分別為橫截受風(fēng)面積和舷側(cè)受風(fēng)面積；VW為風(fēng)速。

(3)

式中：FXC、FYC分別為X、Y方向流載荷；MXYC為流載荷轉(zhuǎn)矩；CXC、CYC和CXYC為相應(yīng)系數(shù)；ρC為水流密度；T為平均吃水；VC為流速。

2.3作業(yè)和抬船載荷

在抓斗挖泥船作業(yè)過(guò)程中，抓斗的旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)船舶載荷產(chǎn)生很大的影響，主要影響船舶所受到的垂向力、橫搖力矩和縱搖力矩。船舶所受到的作業(yè)載荷按式(4)計(jì)算：

(4)

式中：FZZ、MXZ、MYZ分別為船舶受到的作業(yè)載荷引起的垂向力、橫搖力矩、縱搖力矩；GZ為抓斗吊重；l為抓斗臂長(zhǎng)度；lzg為抓斗至船舶重心距離；γ為抓斗右旋時(shí)抓斗臂與船舶中線夾角，若抓斗左旋則γ值為負(fù)數(shù)。

在惡劣環(huán)境條件下，抓斗挖泥船在作業(yè)過(guò)程中可將船體抬起一定的高度以減少波浪對(duì)船舶作業(yè)的影響，增大定位樁對(duì)地壓力，提高作業(yè)穩(wěn)定性。這會(huì)使船舶重力與浮力不相等且浮心位置發(fā)生變化，影響船舶所受到的垂向力和縱搖力矩。船舶受到的抬船載荷按式(5)計(jì)算：

(5)

式中：FZT、MYT分別為船舶受到的抬船載荷引起的垂向力和縱搖力矩；GT為抬船后樁腿承受的船舶重力；B為抬船后的浮力；lgb為重心與浮心之間的距離，若浮心比重心靠近船首則lgb為負(fù)數(shù)。

3定位樁受力計(jì)算

在船舶作業(yè)狀態(tài)下，船體所受到的外載荷最終會(huì)由三根定位樁承受，因此必須對(duì)定位樁所受載荷進(jìn)行詳細(xì)地計(jì)算分析，為定位樁的設(shè)計(jì)提供參考。

在船體所受到的六個(gè)方向的力(矩)中，垂向力FZ，橫搖力矩MX和縱搖力矩MY影響定位樁所受的垂向力，縱向力FX、橫向力FY和艏搖力矩MZ影響定位樁所受的水平力即底部彎矩。

圖5是船體受外載荷和樁腿力的受力示意圖，圖中對(duì)樁腿進(jìn)行了編號(hào)，尾樁為1號(hào)樁，左側(cè)首樁為2號(hào)樁，右側(cè)首樁為3號(hào)樁。

圖5　船體受外載荷和樁力示意圖

假定船體與定位樁為剛體，對(duì)樁與船舶的作用力在六個(gè)方向上進(jìn)行分解：

(1) 對(duì)于縱向力FX，假設(shè)三樁對(duì)船的作用相同，即有：

(6)

(2) 對(duì)于橫向力FY，假設(shè)2、3號(hào)樁對(duì)船的作用力相同，有：

(7)

(3) 對(duì)于垂向力FZ，有：

(8)

(4) 對(duì)于橫搖彎矩MX，假設(shè)船體橫搖軸為船體中線，則有：

(9)

(5) 對(duì)于縱搖彎矩MY，假設(shè)2、3號(hào)樁受力相同，可用下式計(jì)算：

(10)

(6) 對(duì)于艏搖彎矩MZ，假設(shè)三樁對(duì)船體的作用力沿Y方向，且2、3號(hào)樁受力相同，則有：

(9)

各方程所求得的具體結(jié)果見表2，樁上各向所受載荷為每列之和。

表2　三樁對(duì)船作用力計(jì)算結(jié)果

4計(jì)算結(jié)果分析

4.1計(jì)算環(huán)境條件

對(duì)不同環(huán)境條件下的作業(yè)工況進(jìn)行了分析，環(huán)境條件見表3。

4.2定位樁受力計(jì)算結(jié)果分析

抓斗挖泥船作業(yè)過(guò)程中，作業(yè)載荷隨抓斗運(yùn)動(dòng)變化，抓斗作業(yè)各階段的時(shí)間見表4。

表3　計(jì)算環(huán)境條件

表4　抓斗作業(yè)各階段時(shí)間

在計(jì)算過(guò)程中假定抓斗右旋，將不同外載荷的時(shí)歷曲線相加并按照表2中的計(jì)算方法計(jì)算得到三樁對(duì)船的作用力，即得到了三樁的受力。此處以波浪周期7 s，波高1.5 m，外載荷入射角180°樁受力結(jié)果為例分析三樁受力。

圖6　1號(hào)樁垂向力時(shí)歷曲線　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7　2號(hào)樁垂向力時(shí)歷曲線

圖8　3號(hào)樁垂向力時(shí)歷曲線　　　　　　　　　　　　　　　圖9　1號(hào)樁縱向水平力時(shí)歷曲線

圖10　1號(hào)樁橫向水平力時(shí)歷曲線　　　　　　　　　　　　　圖11　2、3號(hào)樁縱向水平力時(shí)歷曲線

圖12　2、3號(hào)樁橫向水平力時(shí)歷曲線

通過(guò)分析三樁受力的時(shí)歷曲線可以發(fā)現(xiàn)，三樁垂向力受抓斗作業(yè)影響很大。在抓斗下放和入水過(guò)程中，尾樁垂向力逐漸減小，首樁垂向力逐漸增大，并且在抓斗閉合過(guò)程中分別取得負(fù)向最大值和正向最大值即最大壓力和最大拔樁力；在抓斗出水和提升過(guò)程中，三樁垂向力變化較為平穩(wěn)，此時(shí)左側(cè)首樁取得最大壓力值；抓斗開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，右側(cè)首樁垂向力逐漸減小即壓力逐漸增大，并且在抓斗旋轉(zhuǎn)完畢后取得最大壓力值；卸料時(shí)三樁垂向力都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突變，受力絕對(duì)值都會(huì)減??；抓斗回旋過(guò)程中三樁垂向力變化趨勢(shì)與旋轉(zhuǎn)時(shí)相反。

三樁的水平力隨時(shí)間變化較為平穩(wěn)，其原因在于樁腿水平力只受環(huán)境載荷影響，與船舶作業(yè)過(guò)程無(wú)關(guān)。橫向水平力和縱向水平力合成之后可得到樁腿所受的總水平力。波浪周期7 s，波高1.5 m環(huán)境條件下的三樁受力最大值見表5。

表5　不同環(huán)境條件下三樁受力最大值

從圖13、圖14中可以看出，尾樁受到的壓力隨環(huán)境載荷入射角增大逐漸增大，兩首樁所受壓力隨環(huán)境載荷入射角增大逐漸減小；尾樁水平力隨環(huán)境載荷入射角增大先增大后減小，在環(huán)境載荷入射角120°時(shí)取得最大值，兩首樁水平力隨環(huán)境載荷入射角增大逐漸減小。抬船后，三樁所受的壓力均會(huì)增大，水平力均會(huì)減小。

圖13　三樁壓力隨環(huán)境載荷入射角變化趨勢(shì)　　　　　　　　　　　　圖14　三樁水平力隨環(huán)境載荷入射角變化趨勢(shì)

圖15　三樁壓力隨波浪周期變化趨勢(shì)　　　　　　　　　　　　圖16　三樁水平力隨波浪周期變化趨勢(shì)

在波浪周期6 s～8 s時(shí)，隨著波浪周期的增大，首樁壓力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，尾樁壓力先增大后減小。三樁水平力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

圖17　三樁壓力隨波高變化趨勢(shì)　　　　　　　　　　　　圖18　三樁水平力隨波高變化趨勢(shì)

隨波高的增大，抬船和非抬船狀態(tài)下三樁所受到的壓力和水平力均會(huì)增大。

5結(jié)論

(1) 考慮大型抓斗挖泥船作業(yè)特點(diǎn)，給出了抓斗挖泥船外載荷計(jì)算方法和定位樁受力計(jì)算模型。進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，為200 m3大型抓斗挖泥船的定位樁設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

(2) 研究了定位樁受力隨不同環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律，定位樁所受水平力隨環(huán)境載荷入射角變化較大，抓斗挖泥船作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量迎浪作業(yè)以確保作業(yè)安全。

(3) 抬船可以使定位樁受到的壓力增大，水平力減小。綜合考慮定位樁的受力極限和抬船高度可以使定位樁的受力趨于合理，進(jìn)而保障作業(yè)安全。

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Load Analysis of Large pile Positioning Grab Dredger during Operation Process

WAN Hao1， CHEN Xin-quan1， YANG Qi1， FENGYong-jun1，DING Jin-hong1， DAI Yi-ping2

(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240;2.Lioyd's Register(China) Co., Ltd, Zhejiang Zhoushan 316021, China)

Abstract：This paper studies the hydrodynamic performance of pile positioninggrab dredgerduring operation process，and establishes the calculation model of apile positioninggrab dredger with barge. Then we compute the load of dredger and three piles under different conditions and analysis the change regulation of piles' stress asmovement of grab and change of environmental load. It will be a basis ofpile's design.

Keywords：grab dredger; position pile; load analysis; hydrodynamic

中圖分類號(hào):U62

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-4500(2016)02-0082-08

作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)浩(1992-)，男，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：大型抓斗式疏浚工程船及抓斗設(shè)備設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究(工信部聯(lián)裝[2012]539號(hào))；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金新教師類資助課題(20120073120014)。

收稿日期：2015-07-29